【5A版】无机化学-化学反应速率

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1、第三章 化学反应速率,第一节 反应速率的表示方法,一、化学反应速率的表示方法 1. 定义： 在体积一定的密闭容器中的反应，经常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。,2. 单位：mol .L -1 . 时间-1 mol .L -1 . s-1 、mol . L-1 . min-1 或mol . L -1 . h-1 。 速率都为正值。,3. 平均速率,1.510-3 mol.L-1.S-1,2 : 4 : 1, 对于一般化学反应aA + bB g G+ hH , 则有：,或,4. 瞬时速率,若将观察的时间间隔无限缩小，平均速率的极限值即为化学反应在t时的瞬时速率（用作图的方法可

2、求出反应的瞬时速率） ：,初速率很重要,一、 速率定律：浓度对化学反应速率的影响,第二节 影响反应速率的因素,在一定温度下, 增加反应物的浓度可以增大反应速率。,白磷在纯氧气中和在空气中的燃烧,(一) 速率定律 1. 定义：在一定温度下，化学反应的速率与各反应物浓度幂的乘积成正比。,反应：aA + bB g G+ hH v = k cAm cBn（或称“速率方程”）,2. 反应速率常数 v = k cAm cBn 速率方程中的k称为速率常数。 k的物理意义：k在数值上等于各反应物浓度均为1molL-1时的反应速率。 与反应物浓度无关，与反应物本质及温度有关。 k的单位？,3. 反应级数,m +

3、 n:该反应的总反应级数。,v = k cAm cBn,A的反应级数,B的反应级数,因此, 反应级数可以为整数、零，也可以是分数。,例：一些反应的速率方程与反应级数,P42-例3-1,反应级数和反应速率常数单位的互推,二、温度对反应速率的影响,温度每升高10K，反应速率大约扩大二到四倍,阿仑尼乌斯公式,1889年阿仑尼乌斯 (Arrhennius), 一般温度范围内, 温度改变对Ea与A影响微小.,指前因子 频率因子,活化能,(2) 温度升高，活化分子数增加，有效碰撞显著增多， 反应速率越快。,在一定温度下，活化能越小，则速率常数k就越大， 因此反应速率大。,(3) 无论对于吸热反应还是放热反

4、应, 升高温度时反应速率均提高.,一、基元反应与非基元反应,(1) 基元反应：反应物一步就直接转变为生产物的反应。,例：2N2O(g) = 2N2 (g) + O2 (g) CO (g) +H2O (g) H2 (g) +CO2 (g),(2) 非基元反应：需两步或两步以上完成的反应。,例：反应H2+I2=2HI是由两步组成的,第三节 反应机理,(3) 反应分子数（由实验测定，针对基元反应）,定义：基元反应中，直接参加反应的粒子（包 括分子、原子和离子）的数目之和。,a. 单分子反应：SO2Cl2 SO2+Cl2,b. 双分子反应：2N2O2N2+O2,c. 三分子反应：2NO+H2 N2O+

5、H2O H2+2I2HI,(4) 质量作用定律 对于基元反应aA + bB g G+ hH , 则有：,v = k cAa cBb (称“质量作用定律”),例：基元反应 NO2+CO NO+CO2 则有：v = k cNO2 cCO,反应分子数 = a + b,基元反应的反应级数和反应分子数相等。,注意，基元反应：反应分子数=反应级数 ma 且nb，不一定是基元反应； ma 或（和）nb，非基元反应。,对于非基元反应，它的反应级数必须由实验确定。, 对于基元反应，根据质量作用定律可直接写出其速率方程式，确定其反应级数，反应级数和反应分子数相等, 对于非基元反应，它的速率方程式必须由实验确定，从

6、而反应级数也必须由实验确定。不存在反应分子数。,小 结,反应级数与反应分子数的区别,二、限速步骤 2N2O5 4NO2 + O2,速率方程式为v = k cN2O51,为何反应速率千差万别，例爆炸、胶片的感光、地层深处煤和石油的形成等？反应物如何转变成产物？,一、 碰撞理论,反应物分子间的相互碰撞是发生化学反应的先决条件。,2HI(g) = H2 (g) +2I (g),相碰即起反应，v11011 mol.L-1.S -1,实际测定值，v23.510 -7 mol.L-1.S -1,第四节 反应速率理论简介,条件：有效碰撞（ 、 ）。,方位,能量,NO (g) + O3 (g) = NO2(g

7、) +O2(g),2. 活化分子: 能够发生有效碰撞的能量高的分子 。 活化分子越多，单位体积内有效碰撞的次数越多，反 应速率越快。 在一定温度下，反应物中活化分子百分率是恒定的。 3. 活化能，Ea：与Ec近似相等， EaEc,临界能或阈能，Ec：发生有效碰撞的分子所具有的 最低能量。,碰撞理论的优缺点,二、 过渡态理论,1. 要点：反应物经过一个中间过渡态，生成一个不稳定的中间活化配合物，然后再分解为产物。,反应物,活化配合物A2B2,产物,反应过程中，分子结构发生变化。,A2+B2,2AB,反应进程,势能,1.反应历程 2. 能量,Ea,NO (g) + O3 (g) = NO2(g)

8、+O2(g),三、 催化剂对反应速率的影响,催化剂是一种能改变 化学反应速率,其本身在反 应前后质量和化学组成均 不改变的物质.,MnO2,D,Pt,1. 分类： 正催化剂：降低了反应的活化能，加快反应速率。 负催化剂：增加了反应的活化能，减慢反应速率。 2. 催化剂改变的是反应历程，但不能改变反应的始终态，即不改变反应物的产率。 3. 催化剂具有特殊的选择性，高度的专一性。,酶催化,生物体内存在着的一类具催化能力的蛋白质称为酶。 酶催化的特点： 高效性，比普通催化剂高得多。 选择性更强。 温度过高、酸碱度过大会使酶失去活性。 生物化学家用“锁配钥”模型(“锁和钥匙”)解释酶的催化活性。,外界

9、条件（浓度、温度、催化剂等）对化学反应速率的影响,本 章 小 结,1、了解化学反应速率的概念。 2、掌握质量作用定律和化学反应速率方程式。 3、理解和区分基元反应、非基元反应、反应级数、 反应分子数，活化分子等概念。 4、了解影响反应速率的因素。,练 习,1. 反应的级数与反应的分子数是同义词。 2. 在反应历程中，定速步骤是反应速率最慢的一步。 3. 反应速率常数的大小就是反应速率的大小。 4.对于一个化学反应，活化能越大，其反应速率就越快。 5.催化剂只能同时加速正逆向反应的反应速率，而不能 改变其平衡状态。,6反应2NO (g) + 2H2 (g) N2 (g) + 2H2O (g)的反

10、应速率表达式为v = kcNO2cH2，试讨论下列各种条件变化时对初速率有何影响。 （1）NO的浓度增加一倍；（2）有催化剂参加； （3）降低温度；（4）将反应器的容积增大一倍。,1999年度诺贝尔化学奖 飞秒照相机快门 获得者：Ahmed H.Zewail （摘自科学） 在科学领域，追求化学反应更精微细节的能力一直是人们不懈的探求目标之一。这种能力将帮助探求者解决基础的问题。 例如：为什么一些反应发生而另一些反应却不发生，为什么化学反应的速率和产物与反应过程的温度有关。困难在于反应时速度极快。眨眼之间（1/4秒），苯和碘分子可以发生3330亿次生成原子碘及其他产物的反应。,70年代后期以来，

11、Ahmed H.Zewail开始用短激光脉冲照射反应过程中的分子和原子，以帮助实时解释动力学。在反应过程中，过渡状态的分子或原子所表现出的特性既不是反应物，也不是产物。这些分子或原子吸收或反射任何照射到它们上的光，改变入射光和光谱使之产生具有特征频率的光。 过渡状态共维持了10到100飞秒，所以探测它们的激光脉冲必然是非常的短。激光具有这种脉冲的能力发现于80年代中期。Zewail和他的合作者立刻意识道了这一发现的实用价值。,1978年首先用于氰化碘（ICN），他们第一次能够观察得出分子离解作用的看到分子分裂成碘和氰，甚至看到碎片互相分离开去。,上图： 碘化氢分子与二氧化碳反应产生一氧化碳、氢

12、氧化物和碘，这个过程于80年代后期被Ahmed H.Zewail和他的同事探测和记录。使用无数的极短激光脉冲，研究者能接连跟踪系列事件（14），而且能得知单独的分子和原子的运动. 在一个典型的实验里，Zewail用泵脉冲引发了一种反应（泵脉冲把能量加到反应物上）。几飞秒后，第一个脉冲探针作用于分子，接下来在整个反应期间每10飞秒左右脉冲照射一次，达几千次之多。每个脉冲探针光谱的变化可以揭示任何化学键及活化能级以及原子和分子的运动。,研究者现在使用Zewail的技术在如下这些现象中提供更详细的洞察力，如催化、光合作用以及当用眼睛扫视照片时在视网膜视杆里光驱动的分子传递是如何发生的。 至于Zewa

13、il自己，他说：“我们的最新工作是实时了解生物系统内分子的结构即结构是如何从一种构型变成另一种构型的。” 作为在这一领域的首次尝试，他与同事们检测了从乙烷获取乙烯反应的动力学。更长期的目的是研究蛋白质分子生命存在的基石的动力学。 Zewail相信，精确使用熟练设置的脉冲将最终可能改变分子。研究生们注意：这很可能是另一个诺贝尔奖所在,质量作用定律 18世纪后期到19世纪前期，化学界笼罩在所谓的“化学亲合力”的阴影下。这一观点最初来自炼金术，他们认为化学反应之所以能够发生，是由于反应物间存在着“爱力”，甚至还列出了“亲合力表”。 德国化学家、冶金家温策尔曾经狂热地迷信这一观点，他对金属溶于酸中的溶

14、解速率进行了研究后，1777年在物质间亲合势的学说中提出化学反应的变化率与酸的所谓“有效质量”成比例。这是对质量作用的早期认识。 1850年威廉米用旋光仪在研究蔗糖转化问题时，发现了酸量和糖量、湿度对反应速度的影响，并且以数学式表示出来。,1862年-1879年古德贝格和瓦格做了大量的工作，发展和确立了“质量作用定律”。至1864年已做了大约300多个实验，并在这一年提出规律性的认识，即质量的作用，也就是力的作用是与他们本身的质量的乘积成正比的。他们说，对于一个化学过程，在两个反方向的力在同时起作用，一个帮助生成新物质，而另一个则帮助从新物质再变成原物质，当这两个力相等时体系就处于平衡状态。 同时，艾逊、哈库特等人也分别发现了质量作用定律。范萑夫经过一番精密的计算之后认定反应速度与有效质量成比率。他对氯乙酸水解的热化学数据进行处理，所得到的结果与由质量作用定律得出的结果相同。,作业：p52，No. 1,